Impact de la composition du syngas sur la vitesse de flamme et la stabilité du front de flamme

摘要

L’adoption de la gazéification intégrée à cycles combinés est envisagée par l’industrie de la production d’électricité afin de remplacer les actuelles technologies utilisées dans les centrales au charbon. Cette technologie brûle, dans une turbine à gaz, des carburants synthétiques (syngas) produits par la gazéification de biomasse ou de charbon afin de produire de l’électricité. Idéalement, le syngas n’est composé que de H2 et de CO, mais du CO2 et du CH4 sont aussi fréquemment produits lors de la gazéification. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’impact de la variation de la composition du syngas sur deux paramètres clés lors de la conception des turbines à gaz: la vitesse laminaire de flamme et l’apparition des instabilités cellulaires. Pour ce faire, une campagne de mesures expérimentales a été réalisée pour ces deux paramètres. Concernant la vitesse laminaire de flamme, il est montré que l’augmentation du ratio H2/CO augmente la vitesse, tandis que l’ajout de CO2 et de CH4 la décroît. De plus, la richesse où la vitesse atteint son maximum diminue lors d'une augmentation du ratio H2/CO ou d'un ajout de CH4 à cause de la vitesse intrinsèque de chacun de ces carburants. L'ajout de CO2 déplace aussi le maximum de vitesse vers des mélanges moins riches à cause de la réduction de la température adiabatique de flamme. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques montrent qu’une version modifiée de la cinétique GRI-Mech 3.0 permet de mieux prédire la vitesse des syngas contenant entre 1 et 40% de CH4. Une corrélation est proposée pour calculer la vitesse en fonction de la composition du carburant, de la richesse et de la temperature initiale. Les propriétés des syngas entraînent toutefois l’apparition d’instabilités cellulaires qui provoquent une autoaccélération du front de flamme. Comme l’apparition des cellules est influencée par le nombre de Lewis du carburant, cette thèse présente une méthodologie permettant de le calculer pour les syngas. Cette méthode est validée grâce à des comparaisons avec des résultats expérimentaux pour des carburants H2/CO, H2/CH4, H2/CO/CO2 et H2/CO/CH4. À la suite du choix de la méthodologie du calcul du nombre de Lewis, l’étude sur les instabilités porte sur l’influence de l’ajout de CO2 et de CH4 au syngas. L’ajout de CO2 ne change pas le moment où les cellules apparaissent puisque la diminution du nombre de Lewis est équilibrée par la hausse de l’épaisseur de flamme. Un ajout de CH4 retarde cependant l’apparition des cellules à cause d’une augmentation de l’épaisseur de flamme tandis que le nombre de Lewis reste stable. Il est aussi observé que l’autoaccélération de la flamme ne mène pas à l’autoturbulence. Cette thèse montre que le coefficient d’autoaccélération peut être utilisé comme critère permettant de distinguer la nature du mécanisme ayant déstabilisé la flamme. Finalement, une corrélation est propose afin de prédire le moment où les cellules apparaissent, et ce en tenant compte des instabilités hydrodynamique et thermodiffusive.